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地下鼠是一类终生营地下生活的啮齿类哺乳动物,已适应地下低氧高二氧化碳环境。据报道,地下鼠的静息代谢率较低,主要是为了节省能量进行更多的挖掘和觅食活动。能量对生物体的生存发展至关重要,它的产生发生于物质代谢的过程中,在物质代谢中糖代谢为机体生命活动提供绝大部分的能量。此外,肝脏是哺乳动物主要的糖代谢器官,在维持能量平衡方面起着重要作用。因此,通过对地下鼠糖代谢的研究有助于进一步揭示地下鼠低氧适应机制。甘肃鼢鼠是一种典型的地下鼠,是研究地下鼠适应进化的理想材料。转录组测序技术是新一代的测序技术,可以得到某一个组织或细胞在一定状态下所有的转录本信息,具有准确度高、反应灵敏、数据量大等优势。因此,本研究通过Illumina HiSeq 2500测序平台对21%、10.5%和6.5%氧浓度下甘肃鼢鼠的肝脏进行转录组测序,结果显示很多与物质代谢相关的基因和代谢途径。为了探讨甘肃鼢鼠低氧适应过程中糖代谢的特点,本研究选取了调控糖代谢的基因——肝细胞核因子-4α(hepatocyte nuclear factor-4α,HNF-4α)、肝细胞核因子-1α(hepatocyte nuclear factor-1α,HNF-1α)和葡萄糖激酶(glucokinase,GCK)作为研究内容。在转录组测序的基础上结合实时定量PCR方法对HNF-4α、HNF-1α和GCK基因进行定量,并用SD大鼠作为对照。通过分析不同氧浓度条件下HNF-4α、HNF-1α和GCK基因的mRNA相对表达量,初步探讨甘肃鼢鼠糖代谢的特点,旨在为地下鼠低氧适应机制的研究奠定基础。目前主要的研究结果及结论如下:1.甘肃鼢鼠在低氧(10.5%、6.5%氧浓度)下HFN-4α基因的mRNA表达量都呈极显著下调,6.5%氧浓度与10.5%氧浓度的相比也显著下调,由于其长期适应低氧环境,低氧环境下HNF-4α抑制肝糖异生的作用可正常发挥,而21%氧浓度对甘肃鼢鼠来说是高氧,刺激HFN-4α基因高表达,编码磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCK)的基因下调,糖异生速率减慢,以维持甘肃鼢鼠高氧条件下糖代谢平衡。SD大鼠在10.5%氧浓度极显著下调基因的表达量,HNF-4α抑制糖异生效率减慢,肝糖输出增多,但6.5%氧浓度下HNF-4α基因表达量又极显著升高,以促进糖异生效率,从而维持机体在急性低氧条件下正常的糖代谢功能。比较各个氧浓度下甘肃鼢鼠和SD大鼠基因的表达量,SD大鼠均极显著高于甘肃鼢鼠,进一步说明SD大鼠为了维持糖代谢功能正常需要高表达此基因,而甘肃鼢鼠与其相反,表明甘肃鼢鼠对环境变化的适应能力较强。2.甘肃鼢鼠在10.5%氧浓度下HNF-1α基因的表达量最高,而在21%和6.5%氧浓度下极显著下调,是由于在正常氧浓度条件下,糖酵解不是机体获取能量的主要途径,急性低氧条件下HNF-1α基因下调,其抑制糖酵解功能减弱,葡萄糖分解速率加快,以维持血糖平衡。而SD大鼠随着氧气浓度降低HNF-1α的mRNA表达量极显著升高,抑制糖酵解作用愈强烈,随后血糖会大幅上升,严重可造成SD大鼠糖代谢紊乱,可能是SD大鼠不适应低氧的表现。在各个氧浓度下将甘肃鼢鼠和SD大鼠相比,在21%和10.5%氧浓度下HNF-1α的基因表达量极显著高于SD大鼠,可能是甘肃鼢鼠为了节省能量以适应地下挖掘觅食等高耗能活动所特有的机制,而6.5%氧浓度时SD大鼠极显著高于甘肃鼢鼠,推测甘肃鼢鼠为了维持血糖平衡只能通过下调HNF-1α加快糖酵解的速度。因此,甘肃鼢鼠HNF-1α维持糖代谢功能在10.5%和6.5%氧浓度下可更好的发挥。3.甘肃鼢鼠在10.5%氧浓度下GCK基因的表达量最高,而21%和6.5%氧浓度极显著下调,正常氧浓度下糖酵解不是机体获取能量的主要途径,急性低氧条件下GCK表达量下调,葡萄糖-6-磷酸的代谢过程速率降低,糖酵解的速率降低,从而引起葡萄糖浓度升高,可能导致糖代谢紊乱。SD大鼠在21%和10.5%氧浓度下GCK基因的表达量没有明显差异,推测在慢性低氧条件下,SD大鼠为了维持糖酵解速率正常只能最大程度表达此基因,而6.5%氧浓度极显著下调,可能导致SD大鼠糖代谢紊乱。由于6.5%氧浓度条件下SD大鼠的GCK基因下调幅度大于甘肃鼢鼠,所以相比SD大鼠,甘肃鼢鼠GCK基因的糖代谢调控功能能更好的发挥。将甘肃鼢鼠和SD大鼠的GCK基因表达量在各个氧浓度下进行对比,结果显示甘肃鼢鼠的基因表达量均极显著高于SD大鼠,而GCK的高表达有利于保证机体葡萄糖代谢正常,因此,甘肃鼢鼠可以更好的适应低氧环境。4.在HNF-4α、HNF-1α和GCK的代谢途径中,甘肃鼢鼠肌腱膜纤维肉瘤癌基因同源物A基因(MafA)表达量在6.5%氧浓度条件下极显著升高,而与之协同作用启动胰岛素基因表达的胰岛素启动因子(PDX1)和神经元分化因子1(NeuroD1)并没有表达。在胰岛素基因不表达的情况下甘肃鼢鼠仍然可以维持糖代谢正常,据此推测,甘肃鼢鼠在糖代谢方面可能有代偿性机制。5.基因 ID 为 c91655.graph_c0、c92171.graph_c0 和 c88937.graph_c0 的基因,其 nr 注释分别为 HNF-4α、HNF-1α 和 GCK。通过 PCR 扩增 c91655.graph_c0、c92171.graph_c0和c88937.graph_c0基因的cDNA片段,将测序得到的序列在NCBI中比对,结果显示与盲鼹鼠的同源性均高达90%以上,因此,确定基因ID为c91655.graph_c0、c92171.graph_c0 和 c88937.graph_c0 的基因为甘肃鼢鼠肝脏的HNF-4α、HNF-1α 和 GCK 基因。